Analyseur de réseau de distribution d'énergie (PDN Analyzer) : démarrage rapide sur un PCB de commande de moteur

Auparavant, j'ai publié un article sur la conception d'un contrôleur simple pour moteur à courant continu à balais utilisant un seul circuit intégré. Bien qu'il s'agisse d'un circuit relativement simple, il sera tout de même amené à transférer un courant maximal de 4 ampères si les deux moteurs fonctionnent au courant nominal maximal par canal du pilote. Pour un circuit aussi simple, vous pourriez simplement examiner la longueur et la largeur des pistes et utiliser un calculateur en ligne (ou un peu de mathématiques) pour déterminer les densités de courant sur les pistes et voir comment elles supporteraient la charge. Cependant, pour des circuits plus complexes, cela peut devenir assez fastidieux très rapidement. Si vous avez des remplissages de polygones qui transportent du courant, un mélange de largeurs de pistes, des composants le long de la piste, ou d'autres caractéristiques complexes de PCB, il devient plus difficile de calculer si le circuit sera suffisant pour la tâche à accomplir.

Être capable de visualiser la densité de courant sur une couche de cuivre vous aide à prendre des décisions de conception plus optimales.

Voici ce que j'adore vraiment chez PDN Analyzer : cela demande un peu de travail pour le configurer sur une carte complexe, mais une fois que vous avez fait cela, il brille de manière spectaculaire en vous permettant d'optimiser votre carte de circuit pour les courants et les tensions qui y circulent. Même juste pour alimenter un microcontrôleur ou un FPGA, vous pouvez utiliser PDN Analyzer pour visualiser rapidement où les densités de courant sont trop élevées, ou la chute de tension sur une piste dépasse vos marges. Pour les parties prenantes moins techniques, cela vous permet également de créer rapidement une carte visuelle du circuit imprimé pour mettre en évidence les problèmes potentiels, vous permettant de voir pourquoi vous pourriez avoir besoin de modifier légèrement les spécifications (peut-être en vous donnant plus d'espace sur la carte) pour garantir que la carte fonctionne comme prévu.

Si vous êtes nouveau avec PDN Analyzer, je voulais créer une carte que vous pourriez télécharger et suivre pour configurer le réseau électrique et examiner l'analyse comme moyen d'apprendre à utiliser l'outil. La documentation d'Altium contient plusieurs exemples de démarrage, cependant le projet de contrôleur de moteur que j'ai construit est beaucoup plus simple et vous permet de configurer rapidement le réseau électrique pour chaque réseau sur la carte, ce que j'espère vous permettra de commencer beaucoup plus rapidement si vous êtes pressé par le temps. Il y a aussi le guide complet de démarrage pour PDN Analyzer qui passe par l'installation et la licence. Enfin, vous pouvez également consulter la documentation de PDN Analyzer.

Configuration

Avant de commencer PDN Analyzer, je vous suggère d'abord d'ajouter des noms de réseaux à tous les réseaux que vous référencerez dans la conception du réseau électrique. Cela les rend beaucoup plus faciles à trouver, plutôt que de devoir compter sur l'identification d'un réseau nommé quelque chose comme IC2_2 !

Le schéma du circuit de commande de moteur tel qu'affiché dans Altium Designer

Lorsque vous ouvrez PDN Analyzer, vous commencerez avec une nouvelle solution qui comporte un seul réseau pour vous aider à démarrer. Je recommande fortement d'agrandir un peu la fenêtre de PDN Analyzer par rapport à la taille de départ initiale pour faciliter la visualisation du réseau.

PDN Analyzer dispose d'une simulation non nommée avec votre seul réseau.

Ensuite, vous voudrez cliquer sur le bouton Réseaux DC pour configurer les tensions et spécifier avec quels réseaux vous allez travailler.

La fenêtre pour configurer les niveaux de tension pour les réseaux de votre schéma s'affichera.

Puis, sélectionnez tous les réseaux et cliquez sur Ajouter sélectionnés. Si le réseau que vous recherchez est manquant, vous pouvez cliquer sur la case à cocher Activer tous les réseaux pour le filtrage pour les rendre tous visibles.

La configuration que j'utilise pour le réseau d'alimentation sur un pont en H semble un peu étrange à première vue, car nous voulons simuler le chemin du courant depuis l'alimentation jusqu'à la terre. Techniquement, la charge est le connecteur du moteur, cependant, pour les besoins de la simulation, cela n'est pas particulièrement utile puisque le courant va circuler à travers le circuit intégré de commande, le moteur, puis retourner au circuit intégré de commande pour passer à travers la résistance de détection de courant - au moins avec l'Allegro A4954 que ce projet utilise. Pour gérer cela, je configure la charge du réseau pour être les résistances de détection de courant (R6 et R9 connectées aux réseaux CS1 et CS2), et j'étends le réseau VCC à travers chaque réseau qui transporte le courant vers le moteur avec IC1 et les connecteurs (J1 et J2) comme les connexions en série entre chaque réseau.

Nous avons décrit le flux d'énergie à travers notre réseau avec R6, R9 et IC2 configurés comme charges.

Pour être complet, j'ai également ajouté le régulateur de tension comme une charge de régulateur de tension, indiqué comme Charge 1 dans la figure ci-dessus, malgré son faible courant de consommation. Ajouter des régulateurs de tension comme une charge vous permet de simuler correctement le flux de courant à travers le circuit imprimé. Lors de l'ajout d'une charge, vous pouvez définir le Type d'appareil en tant que VRM (Module de Régulation de Tension) en haut de la fenêtre Propriétés de l'appareil, ce qui vous permettra ensuite de générer un nouveau réseau pour le côté régulé du régulateur de tension. N'oubliez pas de régler la tension de sortie !

J'ai configuré le dispositif de régulation de tension sur VRM, spécifié les bornes du VRM et réglé le paramètre Vout pour générer un réseau pour le côté régulé en tension.

Sur le réseau 3.3V, j'ai étendu le réseau jusqu'aux réseaux VREF dans le schéma en utilisant le potentiomètre comme composant en série. J'ai réglé la résistance du composant en série à ce qui pourrait être une valeur en utilisation pour le pot, puis j'ai défini le courant de tirage pour la jambe inférieure du diviseur résistif à ce que serait le courant à travers celui-ci via le diviseur de tension résistif. Notez que les valeurs des résistances sont relativement faibles, car cette carte était dans un environnement industriel où l'EMI pourrait induire des tensions sur les réseaux de référence et potentiellement causer un comportement inattendu du moteur.

Le réseau 3.3V fournit du courant à partir de IC2, le régulateur de tension, et le dissipe dans R2 et R4, qui sont les jambes inférieures des diviseurs de tension résistifs.

Une fois que la charge du régulateur de tension est sur le réseau, vous pouvez cliquer dessus avec le bouton droit pour générer le réseau de sortie en sélectionnant Ajouter VRM au Nouveau Réseau.

Une fois que vous avez configuré le réseau, vous pouvez cliquer sur le bouton Analyser pour simuler le réseau.

Analyse

PDN Analyzer offre de nombreuses analyses intéressantes, au-delà des superbes visuels sur le circuit imprimé qui rendent les rapports pour les clients ou la direction si attrayants. L'analyse qu'il fournit vous permet de prendre rapidement de véritables décisions d'ingénierie et d'analyser la conception ainsi que les changements potentiels qui pourraient devoir être mis en œuvre, en plus des limites imposées aux entrées/sorties externes.

Si vous travaillez avec des microcontrôleurs, des FPGA, des modules RF ou d'autres dispositifs sensibles aux tensions, PDN Analyzer peut considérablement accélérer le processus de détermination si les largeurs de pistes sont suffisantes pour que les tensions atteignant la charge sensible restent dans les tolérances. Cependant, dans ce projet, je ne m'intéresserai pas à l'analyse de tension car je suis uniquement préoccupé par le courant circulant autour du circuit. C'est un design compact avec des pistes relativement fines pour un pilote de moteur qui, je crains, pourrait potentiellement surchauffer. Si je vérifiais ce design manuellement, je calculerais principalement la capacité de courant piste par piste avec un outil de calcul en ligne comme celui de EEWeb.

Avec PDN Analyzer, je peux analyser l'ensemble du circuit en moins de temps qu'il ne m'en faudrait pour calculer manuellement juste quelques pistes. Comme PDN Analyzer fournit des densités de courant plutôt que des augmentations de température, nous devons encore examiner manuellement ce qui pourrait être une densité de courant sûre. La densité de courant est plus pratique pour prendre des décisions, car des facteurs tels que le flux d'air, le boîtier, la température ambiante, le revêtement de surface et bien d'autres contribueront à l'augmentation de température réelle et à l'ampacité d'une piste donnée dans le monde réel. Pour un circuit comme celui-ci, je considérerais 100-120 A/mm2 comme critiquement élevé, car cela conduirait à une augmentation de température d'environ 30°C par rapport à l'ambiant dans l'air immobile sur des pistes de la même taille que celles du circuit. Pour maintenir une piste en sécurité, une densité de courant de 60-75 A/mm2 serait acceptable sur des réseaux à fort courant, car cela devrait conduire à une augmentation de température d'environ 10°C par rapport à l'ambiant.

Les onglets en bas de chaque réseau contiennent des tableaux d'analyse qui peuvent être très utiles pour garantir la cohérence de votre conception. Ces tableaux seront beaucoup plus utiles pour la simulation de circuits de microcontrôleurs ou de FPGA mentionnée ci-dessus, cependant, pour cet analyseur de commande de moteur, le tableau Visuel va permettre de valider la conception beaucoup plus rapidement. Ne vous méprenez pas, les tableaux sont vraiment utiles pour la grande majorité des cartes que vous pourriez simuler, cependant, pour ce contrôleur de moteur, nous voulons analyser les traces réelles en détail plutôt que de se contenter de statistiques globales sur la puissance.

Tableaux de consommation d'énergie calculés par PDN Analyzer. Ouvrez l'image dans un nouvel onglet pour la voir clairement.

Sur l'onglet Visuel, cliquer sur le bouton Densité de Courant puis sur le bouton 2D vous montrera votre réseau configuré sans le sol affiché (le sol gêne la plupart du temps, mais devrait définitivement être vérifié plus tard dans l'analyse).

La plupart des traces ont des densités de courant élevées mais nous ne pouvons faire aucune déduction car les densités ne sont pas affichées dans les unités que nous souhaitons.

Ceci montre la densité de courant en pourcentage. Notez que le spectre de couleur est non linéaire. L'échelle de couleur est également affichée par rail, dans cette vue nous avons plusieurs rails visibles ce qui fait que le rail de 3,3V sur le côté gauche de la carte, qui se trouve verticalement, semble transporter un niveau de courant similaire aux traces du moteur, car ils transportent tous les deux presque 100 % de la densité de courant de leur rail respectif.

Si ce n'est pas le résultat que vous recherchez, vous pouvez changer l'échelle de couleur pour qu'elle soit toujours automatique, mais réglée sur « Affiché » à la place, ce qui montrera les densités de courant réelles.

De plus, en passant à l'affichage Manuel, je peux rendre très évident quelles traces, ou zones de traces, sont surchargées par mes charges configurées de 2A par moteur. Les 2A par moteur représentent le courant maximum que le pilote peut supporter, malgré la mention dans l'article précédent que je commande un moteur de 1A sur chaque sortie. Je ne sais pas ce que l'avenir de cette carte sera, donc il vaut la peine de vérifier à la pleine capacité de courant.

Mon réglage final montre le plus haut degré de rouge à 100A/mm2.

En passant à une ampacité maximale manuelle de 100A/mm2, ma carte commence à avoir un aspect un peu différent.

Où sont passées les pistes ?

Les pistes noires indiquent que la limite de courant est en dehors de la plage spécifiée, et cela rend immédiatement évident qu'il y a plusieurs pistes qui sont sous-dimensionnées. Les pistes du moteur seraient en danger de surchauffe et de délamination potentielle à 2A par moteur.

Modifier les charges dans le réseau pour 1.2A, un peu plus haut que ma charge maximale prévue, ramène ces pistes sous la limite maximale que j'ai mentionnée plus tôt. Elles vont chauffer, mais pas à un niveau dangereux.

Les pistes pourraient disparaître à 2A mais elles sont très présentes à 1.2A. Elles vont, cependant, devenir un peu chaudes.

Il y a cependant un point qui reste obscur : autour de la via pour l'alimentation en tension de l'IC. Cette section nécessitera une refonte avec une piste plus large, ou peut-être même un remplissage polygonal. Pour déterminer quelle largeur de piste pourrait être plus appropriée ici, je me tournerais vers le calculateur en ligne dont j'ai parlé précédemment pour obtenir un bon point de départ. Pour ce faire, je dois savoir combien de courant va circuler sur cette piste, et sans surprise, PDN Analyzer peut instantanément le déterminer en utilisant l'outil Sonde. Dans le même onglet Visuel, vous pouvez cliquer sur Sonde puis cliquer sur la zone de la carte qui vous intéresse.

L'emplacement que nous avons sondé dans le réseau VCC de la couche supérieure transporte un courant impressionnant de 1.768A.

Cela me dit que je peux m'attendre à voir environ 1.768A sur la carte, avec une carte en cuivre de 32um, une largeur de piste de 0.75mm serait plus appropriée que les 0.45mm actuellement présents suite au respect des recommandations d'agencement de PCB d'Allegro dans la fiche technique.

Étant donné l'agencement de la carte ici, et l'espacement entre les broches de l'IC, un polygone sera le moyen le plus simple d'ajouter plus de cuivre à cette broche.

La carte après l'ajout du polygone de cuivre au réseau VCC.

Après avoir redessiné cette zone de la carte, tout ce que je dois faire dans PDN Analyzer est de cliquer à nouveau sur Analyser pour voir les résultats de mon changement.

Le versement de cuivre a réduit la densité de courant autour de l'alimentation en tension de l'IC et toutes les pistes semblent correctes maintenant.

Avec la même échelle de couleurs manuelle appliquée, il est immédiatement évident que le polygone supplémentaire a fait des merveilles pour la densité de courant autour de cette zone de la carte, comme on pouvait s'y attendre. Elle est maintenant bien dans la marge de sécurité.

Maintenant que j'ai confirmé que la capacité de courant des pistes est suffisante, les versements à la terre doivent encore être vérifiés. Si vous avez suivi la lecture du premier article où la carte de commande a été conçue, vous vous souviendrez peut-être que nous avions quelques découpes au bas de la carte pour fournir une terre en étoile pour les résistances de mesure de courant comme recommandé dans la fiche technique. Je veux m'assurer que cela n'affectera pas négativement la capacité de courant de la carte, et sur le côté supérieur et m'assurer que les résistances de mesure de courant et le connecteur d'alimentation ont des connexions suffisamment larges sans aucune zone restreinte dans les polygones.

Côté supérieur de la carte après que le cuivre a été révélé.

Sur le côté supérieur, vous pouvez clairement voir le chemin du courant depuis le pad exposé du circuit intégré de commande jusqu'à la broche du connecteur d'alimentation. Encore une fois, je peux utiliser l'outil Sonde pour regarder n'importe quel point sur le polygone afin de trouver la densité de courant à un point spécifique de la carte.

Le point le plus chaud sur la région de cuivre du côté supérieur est seulement à 16,93A/mm2, ce qui est environ un sixième du maximum de 100A/mm2.

Maintenant que je suis satisfait du dessus de la carte, je peux vérifier les polygones du dessous avec les zones découpées.

Le côté inférieur de la carte semble également tout à fait correct !

Étant donné l'écart dans la fente passant entre les résistances de détection de courant et le pad exposé, il n'est pas très surprenant que la densité de courant soit bien dans les limites acceptables. Néanmoins, pouvoir visualiser ce résultat est toujours intéressant.

Cette analyse effleure à peine ce qui est possible avec PDN Analyzer. Bien que je me sois uniquement concentré sur les aspects visuels et de courant ici, les tableaux des autres onglets méritent qu'on s'y attarde. J'aime vérifier l'onglet des Pins pour m'assurer que chaque broche, surtout sur les connecteurs, ait un courant la traversant inférieur aux spécifications maximales du fabricant, au cas où j'aurais choisi une pièce inappropriée, ou que le courant soit plus élevé que ce que j'avais initialement prévu. Dans l'onglet des Vias, j'aime trier le tableau par Densité de Courant, ce qui me permet de rapidement m'assurer que les densités de courant les plus élevées sont dans des marges acceptables. Si la densité de courant est trop élevée, je peux rapidement ajouter un via supplémentaire, ou changer sa taille et ré-analyser pour voir si mon changement l'a ramené dans les spécifications. Si vous définissez des tolérances acceptables pour les tensions ou les niveaux de courant dans votre réseau, les onglets de réseau peuvent rapidement vous indiquer si le réseau passe ou échoue les exigences que vous avez définies.

Optimisation Supplémentaire

D'après mon analyse de cette carte de pilote au sein de PDN Analyzer, il serait probablement approprié de changer les valeurs du diviseur résistif pour le réglage du courant sur le circuit intégré de commande afin de s'assurer que le courant maximal ne puisse pas être réglé au-dessus de 1.2A. Je pourrais également changer les largeurs de pistes, cependant 1.2A dépasse mes exigences.

Je pourrais aussi ajouter des vias supplémentaires ou du cuivre dans d'autres zones qui ont des charges plus élevées.

Essayez par vous-même

Si vous avez PDN Analyzer, vous pouvez télécharger ce projet entièrement configuré et simulé sur GitHub. Si vous souhaitez suivre et construire l'analyse vous-même, vous pouvez télécharger le projet avant d'ajouter PDN Analyzer au point de conclusion de l'article précédent depuis cet engagement. Cela vous permettra de reproduire ce projet simple et d'expérimenter avec l'analyse d'un circuit de commande de moteur basique.

Si vous n'avez pas PDN Analyzer, j'espère que l'analyse de ce projet simple vous donne une idée de pourquoi je suis tombé amoureux de cet outil de simulation lorsqu'il a été ajouté à Altium. Que je conçoive un simple contrôleur de moteur, alimente des charges beaucoup plus importantes, ou aie des exigences de tolérance de tension sensibles pour des circuits plus communs, PDN Analyzer me fait gagner tellement de temps sur l'analyse de la disposition, et me donne confiance que la carte en cuivre finie que je reçois fonctionnera comme requis.

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